Centrales solaires cylindroparaboliques

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Jean-Pierre Aubin
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1 Centrales solaires cylindroparaboliques Master ER&S 2015 Université Mohammed V FLAMANT Gilles Directeur PROMES-CNRS Gilles.flamant@promes.cnrs.fr

2 Sommaire Principe Exemples de centrales Construction Composants et sous-ensembles Le récepteur, modélisation

3 Principe

4 Centrale type Configuration 1, sans stockage (SEGS) Concentration linéaire Un seul axe de rotation

5 Centrale type Configuration 2, avec stockage (Andasol) Concentration linéaire Un seul axe de rotation Chaleur 390 C Stockage Vapeur Electricité

6 Centrale type Caloporteur Huile naturelle T < 300 C Ex: Santotherm Inflammable Huile de synthèse T < 400 C Ex: Therminol VP-1 pression modeste (10 15 bars) Eau/vapeur T > 400 C pression élevée (> 60 bars) Avantages Système modulaire Fortes puissances (> 100 MW th ) Construction simple: 1 mouvement, récepteur intégré Coûts d installation et d exploitation faibles (structures au sol) Inconvénients Faible concentration (20-100) température modérée (250 C 400 C) rendement de cycle modeste

puissances (> 100 MW th ) Construction simple: 1 mouvement, récepteur intégré Coûts d installation et d exploitation

7 Centrale type

8 Exemples de centrales

9 SEGS Californie Premières centrales solaire commerciales Centrales SEGS (Californie, DNI ~ kwh/m 2 /an) Hybride 80% solaire - 20% gaz (pas de stockage sauf pour SEGS I mais arrêté) Capteurs: m 2 Fluide caloporteur: Huile Cycle: Rankine Puissance installée: 354 MW e Coût de production: 0,12-0,16 /kwh e Source NREL:

sauf pour SEGS I mais arrêté) Capteurs: 2 000 000 m 2 Fluide caloporteur: Huile Cycle:

10 SEGS Source NREL:

11 SEGS Source IEA, Technology Roadmap, STE, 2014

12 ANDASOL 1,2 et 3 Principale innovation % SEGS: Stockage 7,5h Puissance 50 MW Grenade, Espagne DNI: 2100 kwh/m 2 /an Champ solaire: m ha 624 SCA (solar collector assembly) 156 boucles de 4 SCA 1 SCA = 817 m 2, L = 144 m, 12 modules MWh/an Mise en service Andasol 1: Source NREL:

(solar collector assembly) 156 boucles de 4 SCA 1 SCA = 817 m 2, L = 144 m, 12

13 ANDASOL 1,2 et 3

14 SOLANA Puissance 250 MW net 2 turbines de 140 MW 6h stockage Phoenix, Arizona (USA) DNI:? Champ solaire: m ha 3232 SCA (solar collector assembly) 808 boucles de 4 SCA 1 SCA = 10 modules MWh/an Mise en service : Source NREL:

Champ solaire: 2 200 000m 2 780 ha 3232 SCA (solar collector

15 Pourquoi les grandes puissances? Coût de l électricité Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010

16 Pourquoi les grandes puissances? Source: Lipman, Siemens CSP, SolarPACES 2010

17 Construction

18 Eléments 100 mètres (8 modules de longueur 12 m) Tube absorbeur Tube absorbeur Réflecteur parabolique Structure support fixe Structure mobile Pied intermédiaire Structure mobile Système de poursuite Largeur 6,75 m

Structure support fixe Structure mobile Pied

19 Montage Eurotrough

20 Déformation Eurotrough

21 Nevada Solar One

22 Composants et sous-ensembles

23 Composants Les composants principaux du collecteur : Le miroir / le concentrateur Le récepteur (tube absorbeur) Le système de poursuite du soleil Le collecteur complet

24 Miroirs Aluminium poli ρ ~ 80-90% (oxyde) Coût faible Fragilité de la surface détérioration baisse de réflectivité Verre + couche Al Verre + couche Ag + Revêtement anti-réflecteur Ag ρ ~ 90-94% Verre mince (<1,5 mm) Courbure aisée Placage (collage) sur forme support Verre épais (3 mm) Formage à chaud Montage direct sur structure support ρ ~ 90% Fragilité de la surface détérioration baisse de réflectivité

25 Miroirs Réflectivité verre 3 mm argenté Spectre ASTM 1.5D Longueur d onde

26 Récepteur Vide Joint verre-métal Tubes absorbeurs Tube absorbeur en acier et revêtement sélectif Absorptivité solaire: >90% (typ. 91,5%) Emissivité totale: <30% (typ. 14%) PVD (T>350 C), ou Co, Cr, Ni noir (T<350 C) Indicateur de vide Verre traité anti-réflecteur Réduit la convection Protège le revêtement sélectif Soufflets Tube absorbeur Schott (All.) Absorptivité solaire: 96% Emissivité totale: 12% T ~400 C

27 Récepteur Tubes absorbeurs

28 Concentrateur/ récepteur Réflecteur parabolique Angle d acceptance, θ Angle d ouverture: Φ D Réflectivité ρ 92 % Facteur d interception γ (erreurs de poursuite, défauts de surface, blocages d extrémité de tube) 95 % Transmitivité τ (réflexion, épaisseur de verre) % Absorptivité α (tube métallique revêtu) % Efficacité optique maximum (zénith, sinon x cosθ) opt, %

29 Suivi solaire

30 Suivi solaire

31 Le récepteur solaire

32 Structure D: diamètre du tube absorbeur L: longueur du tube absorbeur vide X T T paroi T abs T fl rayonnement IR vers tube verre convection vers ext. Convection vers amb tube verre T verre Q rayonnement IR vers ext. L conduction par liaisons métalliques

33 Modélisation Source: Report NREL/TP

34 Modélisation Principe Fluide de transfert (1) paroi absorbeur (2,3) tube de verre (4,5) air ambiant (6) ciel (7) Fluide vide air ciel 6 7 Source: Report NREL/TP

35 Metal Verre Fluide vide air ciel 6 7 Modélisation Principe q 12conv : Puissance transférée au fluide par l absorbeur q en (W/m) q 23cond : Puissance transférée par conduction dans l absorbeur q 3AbsSol : Puissance solaire absorbée par l absorbeur q 34conv : Puissance perdue par l absorbeur par convection vers le verre q 34rad : Puissance perdue par l absorbeur par rayonnement vers le verre (enveloppe) q condsup : Puissance perdue par l absorbeur et le verre par conduction vers les supports q 45cond : Puissance transférée par conduction dans le verre q 5AbsSol : Puissance solaire absorbée par le verre q 56conv : Puissance perdue par convection dans l air par le verre q 57rad : Puissance perdue par le verre par rayonnement vers le ciel Source: Report NREL/TP

36 Metal Verre Fluide vide air Le bilan s écrit : ciel 6 7 Modélisation Principe q 12conv = q 23cond q 3AbsSol = q 23cond + q 34conv + q 34rad + q condsup q 34conv + q 34rad = q 45cond q 45cond + q 5AbsSol = q 56conv + q 57rad q perte = q 56conv + q 57rad + q condsup Le problème est résolu en exprimant les différents termes du bilan. Les termes q 3AbsSol et q 5AbsSol sont déterminés par l efficacité optique du concentrateur Source: Report NREL/TP

37 Modélisation Metal Verre Fluide vide air ciel 6 7 D 2 D 3 Q12conv = h1πd2(t2 T1), avec h1 = NuD2λ1/D2 En régime turbulent et de transition (Re > 2300, Re = ρ f ud/μ) Pr, nombre de Prandlt, Pr = C p μ/λ Source: Report NREL/TP

38 Modélisation Metal Verre Fluide vide air ciel 6 7 D 2 D 3 q 23cond = 2πλ 23(T 2 T 3 )/ln(d 3 /D 2 ) q 34conv = πd 3 h 34 (T 3 T 4 ) A pression réduite (< 100 Pa) : régime moléculaire (balistique), Source: Report NREL/TP

39 Modélisation Metal Verre Fluide vide air ciel D 4 D q 57rad = ε 5 πd 5 σ(t T 74 ) q condsup = (h s P s λ s A sb ) 1/2 (T b T s )/L P s périmètre du support, A sb section de la zone de connection entre le support et la base (tubes), h s conductance de contact Source: Report NREL/TP

40 Résultats Source: Report NREL/TP

41 Conclusion Les évolutions à court et moyen termes: Génération direct de vapeur (si technologie de stockage disponible) Concentrateur de grande ouverture Utilisation du sel fondu comme fluide de transfert (400 C 500 C) Source: Schweitzer et al. SolarPACES 2011

42 Merci de votre attention

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